انرژی خورشیدی و MPPT در MATLAB و Simulink
در شبیه‌سازی سامانه خورشیدی، پنل، مبدل، کنترلر و بار باید در ارتباط با هم بررسی شوند. تغییر تابش و دما می‌تواند نقطه کار پنل را جابه‌جا کند؛ بنابراین بررسی الگوریتم MPPT را باید از بررسی کل سامانه و محدودیت‌های آن جدا کرد.
از مبانی مدار و مبدل شروع کنید و بعد به مثال پنل و مبدل افزاینده برسید. نمونه‌های اتصال به شبکه، سامانه مستقل با باتری و اینورتر سه‌فاز برای ادامه مسیرند؛ هرکدام پرسش و ساختار متفاوتی دارند.
ترتیب پیشنهادی یادگیری
- MATLAB، مدل بلوکی و مدارهای الکتریکی را مرور کنید؛ سپس Onramp قدرت و الکترونیک قدرت را دنبال کنید.
- در مثال PV و مبدل افزاینده، منحنی‌های توان و ولتاژ و رفتار MPPT را بررسی کنید.
- بر اساس پروژه، اتصال تک‌فاز به شبکه، سامانه مستقل با باتری یا اینورتر سه‌فاز را انتخاب کنید.
شکل‌ها و تمرین‌های این صفحه برای توضیح مفاهیم در دیجی‌استاد طراحی شده‌اند. نمودارهای نمایشی از داده ساختگی یا مدل ساده‌شده استفاده می‌کنند؛ برای فایل و مراحل مثال اصلی، پیوند MathWorks همان مورد را دنبال کنید.
آموزش‌ها و نمونه‌های منتخب
شبیه‌سازی شبکه قدرت و ریزشبکه
Power Systems Simulation Onramp
با ساخت ریزشبکه، شبیه‌سازی مدار سه‌فاز و اندازه‌گیری کمیت‌های الکتریکی آشنا می‌شوید. کنترل افتی و ردیابی نقطه بیشینه توان از موضوعات این مسیر مقدماتی‌اند.
نمای بزرگ‌تر ↗در ریزشبکه، منابع و بارها روی یک شبکه مشترک اثر می‌گذارند. شکل یک باس ساده با تولید خورشیدی، ذخیره‌ساز و بار را نشان می‌دهد. تعادل توان باید در هر لحظه برقرار باشد، اما پاسخ گذرا و کیفیت ولتاژ نیز به مدل اجزا و کنترل وابسته‌اند. اندازه‌گیری را در مرزهای مشخص انجام دهید و قرارداد توان مثبت را ثابت نگه دارید. برای شروع، تغییر یک بار را اعمال کنید و ببینید کدام منبع و کنترلر به آن واکنش نشان می‌دهد.
رابطه کوتاه
P_PV + P_battery = P_load + P_loss
همه توان‌ها در یک مرز سازگار بیان شده‌اند و توان مثبت باتری به معنی تخلیه به شبکه است. برای شارژ، علامت توان باتری عوض می‌شود.
تمرین پیشنهادی
یک افزایش پله‌ای بار در نظر بگیرید. توضیح دهید کسری لحظه‌ای توان باید از کدام منبع تأمین شود و چه کمیتی را ثبت می‌کنید.
- آمادگی پیشنهادی
- Simulink و مدارهای الکتریکی
- محیط اجرا
- محیط آنلاین آموزش MathWorks
شبیه‌سازی مبدل‌های الکترونیک قدرت
Power Electronics Simulation Onramp
یک مبدل کاهنده را با سطح‌های مختلف جزئیات مدل می‌کنید و خروجی و سرعت شبیه‌سازی را مقایسه می‌کنید. قبل از مطالعه مبدل‌های متصل به پنل خورشیدی، این مبانی مفیدند.
نمای بزرگ‌تر ↗مدل مبدل می‌تواند کلیدزنی جزئی یا رفتار میانگین را توصیف کند. مدل میانگین برای دیدن روند کلی سریع‌تر است، اما شکل موج‌های سریع و ریپل را به همان شکل نمایش نمی‌دهد. در شکل، یک مبدل کاهنده ایده‌آل و مفهوم نسبت زمان روشن‌بودن کلید دیده می‌شود. سطح مدل را با پرسش انتخاب کنید؛ برای بررسی میانگین ولتاژ و برای تحلیل جزئیات کلیدزنی نیاز یکسانی نداریم. سرعت اجرا را کنار دقت خروجی موردنیاز مقایسه کنید.
رابطه کوتاه
V_out ≈ D V_in
تقریب مبدل Buck ایده‌آل در حالت پایا و هدایت پیوسته است؛ D نسبت وظیفه بین صفر و یک است. تلفات و ریپل در این رابطه حذف شده‌اند.
تمرین پیشنهادی
با ورودی ثابت، D را در دو مقدار انتخاب کنید و ولتاژ میانگین را پیش‌بینی کنید. سپس توضیح دهید کدام جزئیات در مدل میانگین دیده نمی‌شود.
- آمادگی پیشنهادی
- Simulink، Simscape و مبانی مبدل DC-DC
- محیط اجرا
- محیط آنلاین آموزش MathWorks
پنل خورشیدی و MPPT با مبدل افزاینده
Solar PV System with MPPT Using Boost Converter
چیدمان پنل‌ها، مبدل افزاینده و ردیابی نقطه بیشینه توان بررسی می‌شود. اثر تابش و دما را در ارتباط با رفتار کنترلر مطالعه کنید و تفاوت حالت MPPT و کنترل ولتاژ را ببینید.
نمای بزرگ‌تر ↗پنل خورشیدی برای هر وضعیت تابش و دما یک رابطه جریان و ولتاژ دارد. حاصل‌ضرب این دو، منحنی توان را می‌سازد و نقطه بیشینه آن هدف MPPT است. در شکل، منحنی‌های ساختگی اثر تغییر شرایط را نشان می‌دهند. کنترلر باید نقطه کار را تغییر دهد، نه اینکه صرفاً یک مقدار توان ثابت مطالبه کند. پاسخ گذرا و رفتار در تغییر تابش را کنار حالت پایا بررسی کنید. قله یک منحنی ساده را با وضعیت‌های پیچیده مثل سایه جزئی یکسان فرض نکنید.
رابطه کوتاه
P(V) = V I(V) ; dP/dV = 0
شرط مشتق صفر برای قله داخلی یک منحنی هموار است. در شکل از مدل نمایشی استفاده شده و پارامترهای یک پنل واقعی وارد نشده‌اند.
تمرین پیشنهادی
روی یک منحنی توان، دو نقطه در دو طرف قله انتخاب کنید. توضیح دهید تغییر کوچک ولتاژ در هر سمت چگونه توان را تغییر می‌دهد.
- آمادگی پیشنهادی
- مدار، مبدل DC-DC و Simscape
- محیط اجرا
- MATLAB، Simulink و Simscape Electrical
مدل سامانه خورشیدی تک‌فاز متصل به شبکه
Single-Phase Grid-Connected Solar Photovoltaic System
نمونه یک سامانه فتوولتائیک پشت‌بامی متصل به شبکه را دنبال می‌کنید. بعد از مدل پنل و مبدل، این مثال برای مطالعه اتصال بخش DC به سمت AC و عملکرد کنترل مناسب است.
نمای بزرگ‌تر ↗در سامانه متصل به شبکه، تولید DC پنل باید از طریق مبدل به سمت AC متصل شود. شکل مسیر انرژی و اختلاف فاز دو موج سینوسی نمونه را نشان می‌دهد. کنترل ولتاژ سمت DC و کنترل جریان سمت شبکه وظایف مرتبط اما یکسانی ندارند. هنگام مقایسه نتایج، مشخص کنید توان را در کدام سمت اندازه می‌گیرید و آیا تلفات مبدل در مدل آمده‌اند. تحلیل توان فعال را از بررسی شکل موج و اعوجاج جدا نکنید.
رابطه کوتاه
P_avg = V_rms I_rms cos(φ)
برای ولتاژ و جریان سینوسی در حالت پایا، φ اختلاف فاز است. این رابطه ساده، اثر هارمونیک‌ها و جزئیات کلیدزنی را پوشش نمی‌دهد.
تمرین پیشنهادی
دو جریان سینوسی با دامنه برابر و اختلاف فاز متفاوت نسبت به ولتاژ بسازید. توان فعال را مقایسه کنید و جهت انتقال انرژی را توضیح دهید.
- آمادگی پیشنهادی
- سامانه PV، مبدل و مبانی شبکه AC
- محیط اجرا
- MATLAB، Simulink و Simscape Electrical
سامانه خورشیدی مستقل با پشتیبان باتری
Stand-Alone Solar PV AC Power System with Battery Backup
ترکیب تولید خورشیدی، بار AC و ذخیره‌ساز باتری در یک سامانه مستقل بررسی می‌شود. برای مقایسه نقش باتری در تأمین بار با سامانه خورشیدی متصل به شبکه مناسب است.
نمای بزرگ‌تر ↗در سامانه مستقل، کمبود یا مازاد تولید خورشیدی باید در ارتباط با بار و ذخیره‌ساز مدیریت شود. شکل، مسیر توان در حالت تولید بیشتر از بار و حالت تولید کمتر از بار را نشان می‌دهد. وجود باتری به‌تنهایی کافی نیست؛ ظرفیت، توان قابل‌تبادل و وضعیت شارژ می‌توانند محدودیت ایجاد کنند. برای شروع، یک پروفایل ساده روز و شب و یک بار معلوم در نظر بگیرید. سپس توان لحظه‌ای را کنار تغییر انرژی ذخیره‌شده دنبال کنید.
رابطه کوتاه
P_net = P_PV − P_load
در یک تراز ایده‌آل بدون تلفات، مقدار مثبت مازاد تولید و مقدار منفی کسری توان را نشان می‌دهد. توان واقعی باتری باید با محدودیت‌های آن سازگار باشد.
تمرین پیشنهادی
برای یک بار ثابت، پروفایل خورشیدی کم‌وزیادشونده بسازید. بازه‌های نیاز به شارژ و تخلیه را مشخص کنید و انرژی هر بازه را حساب کنید.
- آمادگی پیشنهادی
- مدل PV، باتری و الکترونیک قدرت
- محیط اجرا
- MATLAB، Simulink و Simscape Electrical
کنترل اینورتر سه‌فاز خورشیدی
Control Three-Phase Solar Inverter
کنترل اینورتر تک‌مرحله‌ای سه‌فاز با بلوک کنترلر PV معرفی می‌شود. تغییر تابش و رفتار MPPT را پس از یادگیری نمونه‌های ساده‌تر بررسی کنید.
نمای بزرگ‌تر ↗خروجی سه‌فاز متعادل از سه موج با دامنه برابر و اختلاف فاز ۱۲۰ درجه ساخته می‌شود. شکل، همین رابطه هندسی را نمایش می‌دهد؛ شکل موج کلیدزنی واقعی اینورتر نیست. هنگام مطالعه مثال، کنترل توان پنل و کنترل سمت شبکه را در جای درست مدل دنبال کنید. تغییر تابش می‌تواند ورودی توان را عوض کند و کنترلر باید پاسخ مناسب بدهد. برای سنجش نتیجه، دامنه، اختلاف فاز و رفتار گذرای کمیت‌های موردنظر را جدا بررسی کنید.
رابطه کوتاه
va=Vm sin(ωt) ; vb=Vm sin(ωt−2π/3) ; vc=Vm sin(ωt+2π/3)
رابطه، ولتاژهای فازی سینوسیِ متعادل را نشان می‌دهد؛ Vm دامنه و ω فرکانس زاویه‌ای است. مرجع اندازه‌گیری و نوع ولتاژ فاز یا خط باید مشخص باشد.
تمرین پیشنهادی
سه موج را رسم کنید و جمع لحظه‌ای آن‌ها را در حالت متعادل بسنجید. سپس دامنه یکی را تغییر دهید و تفاوت را ببینید.
- آمادگی پیشنهادی
- کنترل مبدل، مدار سه‌فاز و سامانه PV
- محیط اجرا
- MATLAB، Simulink و Simscape Electrical
تمرین پیشنهادی برای تثبیت یادگیری
ابتدا مثال پنل و مبدل را با تنظیمات منبع اجرا کنید. سپس فقط تابش را تغییر دهید و نمودار توان، ولتاژ و جریان را مقایسه کنید. در مرحله بعد دما را جداگانه تغییر دهید تا اثر دو ورودی با هم مخلوط نشود. برای گزارش تمرین، زمان رسیدن به نقطه کار و رفتار گذرا را بنویسید و مشخص کنید مدل در چه حالت کنترلی کار می‌کند.
شیوه استفاده از منابع
معرفی و ترتیب مطالعه در این صفحه فارسی است؛ محتوای اصلی منابع به زبان انگلیسی در MathWorks قرار دارد. دوره‌های Onramp رایگان‌اند و برای انجام تمرین‌ها به حساب MathWorks و رایانه نیاز دارند. محیط آنلاین دوره به مجوز جداگانه محصولات نیاز ندارد؛ اجرای دوره در نرم‌افزار نصب‌شده شرایط مجوز خودش را دارد.
متن مثال‌ها و صفحه ویدئوها برای مطالعه در دسترس است؛ اجرای فایل نمونه روی رایانه ممکن است به MATLAB، Simulink، جعبه‌ابزارها یا افزونه‌های ذکرشده در منبع و نسخه سازگار نیاز داشته باشد. توضیح رسمی شرایط آموزش‌های MathWorks.
منابع بررسی‌شده در ۲۶ مهر ۱۴۰۵ · ارائه‌دهنده منابع پیوندشده: MathWorks